JPH07139940A - Focusing type displacement measuring apparatus - Google Patents

Focusing type displacement measuring apparatus

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JPH07139940A
JPH07139940A JP30757893A JP30757893A JPH07139940A JP H07139940 A JPH07139940 A JP H07139940A JP 30757893 A JP30757893 A JP 30757893A JP 30757893 A JP30757893 A JP 30757893A JP H07139940 A JPH07139940 A JP H07139940A
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JP
Japan
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displacement
focus error
amount
error signal
signal
Prior art date
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Pending
Application number
JP30757893A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Nara
治 奈良
Mamoru Kuwajima
守 桑島
Yoshiharu Kuwabara
義治 桑原
Tadashi Iwamoto
正 岩本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To make it possible to measure displacement highly accurately even in the measurement of surface roughness and the like including a high-frequency component by converting the level of a focus error signal into the amount of displacement, and adding the result to the amount of displacement outputted from an encoder. CONSTITUTION:In a servo system 20, a focus error signal is generated with a focus-error-signal forming circuit 21 from the outputs of two photodetectors 9a and 9b. The signal is supplied into the voice coil of an actuator through a phase correcting/driving circuit 22. In a scale-signal processing system 27, the output of an encoder 15 is counted with a counter 25, and the amount of displacement is outputted. The level of the focus error signal obtained in a forming circuit 21 undergoes digital conversion with 11 an A/D converter 23. The result is converted into the amount of displacement with a converting circuit 24. The converted focus error signal is added to the amount of displacement outputted from the counter 25 in an adding circuit 26 as the error correcting value. Then, the amount of the displacement, whose error is corrected, is outputted.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光ピックアップ技術を
利用した合焦点型変位測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a focusing type displacement measuring device using an optical pickup technique.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ光等の光ビームを測定面に集光
し、その反射光を受光して非点収差法等によるフォーカ
スエラー信号を得て、これにより対物レンズを駆動する
アクチュエータを制御するサーボ機構を備えた合焦点変
位測定装置が知られている。変位測定は、アクチュエー
タに一体に取り付けられたリニアスケールとこれに対向
する検出器とからなるエンコーダにより行われる。
2. Description of the Related Art A light beam such as a laser beam is condensed on a measuring surface, and the reflected light is received to obtain a focus error signal by an astigmatism method or the like, thereby controlling an actuator for driving an objective lens. A focus displacement measuring device equipped with a servo mechanism is known. The displacement measurement is performed by an encoder including a linear scale integrally attached to the actuator and a detector facing the linear scale.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のこの種の合焦点
型変位測定装置は、例えば表面粗さ測定等においてはサ
ーボ系の追従性が悪く、高速測定及び高精度測定が難し
いという問題があった。即ち高い周波数成分を含む出力
が得られる場合、サーボ系の高速性能には限界がある。
このため対物レンズはSカーブのゼロクロス位置まで動
くことができずに、変位測定誤差が生じる。
The conventional in-focus type displacement measuring device of this type has a problem that the followability of the servo system is poor in, for example, surface roughness measurement, and high-speed measurement and high-precision measurement are difficult. It was That is, when an output including a high frequency component is obtained, there is a limit to the high speed performance of the servo system.
For this reason, the objective lens cannot move to the zero-cross position of the S curve, and a displacement measurement error occurs.

【0004】本発明は、このような測定誤差を補償して
高速測定及び高精度測定を可能とした合焦点型変位測定
装置を提供することを目的としている。
It is an object of the present invention to provide a focusing type displacement measuring apparatus which compensates for such a measurement error and enables high speed measurement and high precision measurement.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明に係る合焦点型変
位測定装置は、光ビームを対物レンズを介して測定面に
集光しその反射光を受光してフォーカスエラー信号を得
るための出力信号を出す光学系、及びその対物レンズを
駆動するアクチュエータを含む光ピックアップと、この
光ピックアップの出力信号からフォーカスエラー信号を
得て、これにより前記アクチュエータを制御駆動するサ
ーボ機構と、前記アクチュエータに取り付けられてその
変位量を検出するエンコーダと、このエンコーダの出力
信号を処理して前記測定面の変位を出力する信号処理手
段と、前記フォーカスエラー信号のレベルを変位量に換
算して前記エンコーダが出力する変位量に合算する手段
とを有することを特徴としている。
An in-focus type displacement measuring device according to the present invention outputs a focus error signal by collecting a light beam on a measurement surface through an objective lens and receiving the reflected light. An optical pickup including an optical system that outputs a signal and an actuator that drives the objective lens, a servo mechanism that controls and drives the actuator by obtaining a focus error signal from the output signal of the optical pickup, and is attached to the actuator. Encoder for detecting the displacement amount thereof, signal processing means for processing the output signal of the encoder and outputting the displacement of the measurement surface, and converting the level of the focus error signal into the displacement amount and outputting by the encoder And a means for adding up to the amount of displacement to be performed.

【0006】[0006]

【作用】本発明においては、フォーカスエラー信号レベ
ルが測定される変位の誤差量に応じて変化する点に着目
して、このフォーカスエラー信号レベルを変位量に換算
してこれを補正値として、エンコーダの出力である変位
量に合算している。これにより、サーボ系の性能の限界
のため光ピックアップの対物レンズがいわゆるSカーブ
のゼロクロス位置まで正確に追従しない場合でもエンコ
ーダによる測定値が補正され、正確な変位が求められ
る。即ち高周波成分が含まれる表面粗さ測定等において
も、高精度の変位測定が可能になる。
In the present invention, focusing on the point that the focus error signal level changes according to the amount of displacement error to be measured, the focus error signal level is converted into a displacement amount, which is used as a correction value. Is added to the displacement amount that is the output of. As a result, even when the objective lens of the optical pickup does not accurately follow the so-called S-curve zero-cross position due to the limit of the performance of the servo system, the measurement value by the encoder is corrected and the accurate displacement is required. That is, highly accurate displacement measurement is possible even in the surface roughness measurement including high frequency components.

【0007】[0007]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。図1は、本発明の一実施例の変位測定装置本体
である。光ピックアップの光源として半導体レーザ1が
用いられ、その出力光ビームは偏光ビームスプリッタ2
を介し、1/4波長板3、コリメータレンズ4、対物レ
ンズ5を介して測定面6に集光されるようになってい
る。測定面6からの反射光ビームは逆行して偏光ビーム
スプリッタ2を透過したものが結像レンズ7を通り、ビ
ームスプリッタ8で2分割されて、二つの受光素子9
a,9bで受光される。受光素子9a,9bのま前には
夫々絞り10a,10bが設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a displacement measuring device body according to an embodiment of the present invention. A semiconductor laser 1 is used as a light source of an optical pickup, and its output light beam has a polarization beam splitter 2
Through the 1/4 wavelength plate 3, the collimator lens 4, and the objective lens 5, and is focused on the measurement surface 6. The reflected light beam from the measurement surface 6 travels backward and passes through the polarization beam splitter 2, passes through the imaging lens 7, and is split into two by the beam splitter 8.
Light is received by a and 9b. Stops 10a and 10b are provided in front of the light receiving elements 9a and 9b, respectively.

【0008】対物レンズ5は、可動コイル11とマグネ
ット12を含むアクチュエータ13により光軸方向に駆
動されるようになっている。そしてこの対物レンズを駆
動するアクチュエータ13に一体に取り付けられたリニ
アスケールとこれに対向する固定の検出器14とからな
るエンコーダ15が設けられている。
The objective lens 5 is driven in the optical axis direction by an actuator 13 including a movable coil 11 and a magnet 12. An encoder 15 including a linear scale integrally attached to an actuator 13 that drives the objective lens and a fixed detector 14 facing the linear scale is provided.

【0009】図2は、この実施例でのアクチュエータ制
御を行うサーボ系20、及びエンコーダからのスケール
信号処理系27の機能ブロック図である。サーボ系20
では二つの受光素子9a,9bの出力から、フォーカス
エラー信号生成回路21によりフォーカスエラー信号が
発生され、これが位相補正・駆動回路22を介してアク
チュエータのボイスコイルに供給される。スケール信号
処理系27では、エンコーダ15の出力がカウンタ25
によりカウントされて変位量が出力される。この実施例
では、フォーカスエラー信号生成回路21から得られる
フォーカスエラー信号のレベルがA/Dコンバータ23
によりディジタル値に変換され、これが換算回路24に
よって変位量に換算される。そしてこの換算されたフォ
ーカスエラー信号が誤差補正値として、合算回路26に
おいてカウンタ25の出力変位量と合算されて、誤差補
正された変位量が出力されるようになっている。
FIG. 2 is a functional block diagram of the servo system 20 for controlling the actuator and the scale signal processing system 27 from the encoder in this embodiment. Servo system 20
Then, the focus error signal generation circuit 21 generates a focus error signal from the outputs of the two light receiving elements 9a and 9b, and this is supplied to the voice coil of the actuator via the phase correction / drive circuit 22. In the scale signal processing system 27, the output of the encoder 15 is the counter 25.
Is counted and the displacement amount is output. In this embodiment, the level of the focus error signal obtained from the focus error signal generation circuit 21 is A / D converter 23.
Is converted into a digital value by the conversion circuit 24 and converted into a displacement amount by the conversion circuit 24. The converted focus error signal is added as an error correction value to the output displacement amount of the counter 25 in the summing circuit 26, and the error corrected displacement amount is output.

【0010】図3は、図2の機能ブロックをより具体化
した例である。二つの受光素子9a,9bの出力はそれ
ぞれ電流−電圧変換回路31a,31bで電圧に変換さ
れ、増幅器32a,32bで増幅される。増幅された信
号A,Bは減算回路33及び加算回路34で差(B−
A)と和(A+B)がとられ、これらが除算回路35で
除算されて(B−A)/(A+B)が求められる。これ
ら減算回路33,加算回路34及び除算回路35の部分
がSカーブ信号(フォーカスエラー信号)生成回路の本
体である。図4及び図5は二つの受光素子9a,9bの
出力と、これを演算して得られるフォーカスエラー信号
の関係を示している。このフォーカスエラー信号は増幅
器36、位相補正回路37、駆動回路38を介してアク
チュエータのボイスコイル39に供給される。
FIG. 3 is a more specific example of the functional blocks of FIG. The outputs of the two light receiving elements 9a and 9b are converted into voltages by the current-voltage conversion circuits 31a and 31b, respectively, and amplified by the amplifiers 32a and 32b. The subtracted circuit 33 and the added circuit 34 add the amplified signals A and B to the difference (B-
A) and the sum (A + B) are obtained, and these are divided by the division circuit 35 to obtain (B−A) / (A + B). The subtraction circuit 33, the addition circuit 34, and the division circuit 35 are the main body of the S-curve signal (focus error signal) generation circuit. 4 and 5 show the relationship between the outputs of the two light receiving elements 9a and 9b and the focus error signal obtained by calculating the outputs. This focus error signal is supplied to the voice coil 39 of the actuator via the amplifier 36, the phase correction circuit 37, and the drive circuit 38.

【0011】スケール信号処理系は、エンコーダ15の
出力が内挿回路41を介してカウンタ42でカウントさ
れ、その出力はバスを介してCPU43に送られるよう
になっている。CPU43には、タイマ44、RAM4
5、ROM46、キーボード47、表示装置48、デー
タ出力装置49等が接続される。この信号処理系によ
り、合焦点状態でのエンコーダ出力から測定面の変位が
求められる。サーボ系の除算回路35から得られるフォ
ーカスエラー信号は、A/Dコンバータ23によりディ
ジタルデータに変換されて信号処理系に送られる。フォ
ーカスエラー信号レベルと変位量は、図6に示すように
対応づけられるから、例えばその換算テーブルは予めR
OM46に格納しておく。そして、カウンタ42から出
力される変位量と、A/Dコンバータ23から得られる
出力に対応するROM46からの換算補正値とが、例え
ばタイマ44により制御されるタイミングでCPU43
に読み込まれて、これらが合算されて誤差補正された変
位量として出力される。こうしてこの実施例によれば、
サーボ系が追従できないために生じる変位測定誤差は、
フォーカスエラー信号に基づいて補正されて正確な変位
量が求められる。
In the scale signal processing system, the output of the encoder 15 is counted by the counter 42 via the interpolation circuit 41, and the output is sent to the CPU 43 via the bus. The CPU 43 includes a timer 44 and a RAM 4
5, ROM 46, keyboard 47, display device 48, data output device 49, etc. are connected. With this signal processing system, the displacement of the measurement surface can be obtained from the encoder output in the focused state. The focus error signal obtained from the division circuit 35 of the servo system is converted into digital data by the A / D converter 23 and sent to the signal processing system. Since the focus error signal level and the displacement amount are associated with each other as shown in FIG.
It is stored in the OM 46. The displacement amount output from the counter 42 and the conversion correction value from the ROM 46 corresponding to the output obtained from the A / D converter 23 are controlled by the timer 44, for example, by the CPU 43.
Is read, and these are added up and output as a displacement amount corrected for error. Thus, according to this embodiment,
The displacement measurement error that occurs because the servo system cannot follow is
An accurate displacement amount is obtained by being corrected based on the focus error signal.

【0012】[0012]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光ピ
ックアップ技術を利用した合焦点型変位測定装置であっ
て、高い周波数成分を含む表面粗さ測定等での測定誤差
を補正して高精度測定を可能とした測定装置を提供する
ことができる。
As described above, according to the present invention, there is provided a focusing type displacement measuring device utilizing an optical pickup technique, which is capable of correcting a measurement error in surface roughness measurement including a high frequency component. It is possible to provide a measuring device that enables highly accurate measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の一実施例の変位測定装置本体の構成
を示す。
FIG. 1 shows a configuration of a displacement measuring apparatus main body according to an embodiment of the present invention.

【図2】 同実施例のサーボ系及び信号処理系の機能ブ
ロックを示す。
FIG. 2 shows functional blocks of a servo system and a signal processing system of the embodiment.

【図3】 同機能ブロックの具体構成例を示す。FIG. 3 shows a specific configuration example of the same functional block.

【図4】 二つの受光素子の出力と変位の関係を示す。FIG. 4 shows a relationship between outputs and displacements of two light receiving elements.

【図5】 フォーカスエラー信号と変位の関係を示す。FIG. 5 shows a relationship between a focus error signal and displacement.

【図6】 フォーカスエラー信号の変位量への換算の様
子を示す。
FIG. 6 shows how a focus error signal is converted into a displacement amount.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体レーザ、2…偏光ビームスプリッタ、3…1
/4波長板、5…対物レンズ、6…測定面、7…結像レ
ンズ、8…ビームスプリッタ、9a,9b…受光素子、
10a,10b…絞り、13…アクチュエータ、15…
エンコーダ、21…フォーカスエラー信号生成回路、2
2…位相補正・駆動回路、23…A/Dコンバータ、2
4…換算回路、25…カウンタ、26…合算回路。
1 ... Semiconductor laser, 2 ... Polarization beam splitter, 3 ... 1
/ 4 wavelength plate, 5 ... Objective lens, 6 ... Measuring surface, 7 ... Imaging lens, 8 ... Beam splitter, 9a, 9b ... Light receiving element,
10a, 10b ... Aperture, 13 ... Actuator, 15 ...
Encoder, 21 ... Focus error signal generation circuit, 2
2 ... Phase correction / driving circuit, 23 ... A / D converter, 2
4 ... Conversion circuit, 25 ... Counter, 26 ... Summing circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩本 正 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社ミツトヨ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masa Iwamoto 1-20-1 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Mitutoyo Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光ビームを対物レンズを介して測定面に
集光しその反射光を受光してフォーカスエラー信号を得
るための出力信号を出す光学系、及びその対物レンズを
駆動するアクチュエータを含む光ピックアップと、 この光ピックアップの出力信号からフォーカスエラー信
号を得て、これにより前記アクチュエータを制御駆動す
るサーボ機構と、 前記アクチュエータに取り付けられてその変位量を検出
するエンコーダと、 このエンコーダの出力信号を処理して前記測定面の変位
を出力する信号処理手段と、 前記フォーカスエラー信号のレベルを変位量に換算して
前記エンコーダが出力する変位量に合算する手段と、を
有することを特徴とする合焦点型変位測定装置。
1. An optical system including an optical system for condensing a light beam on a measurement surface through an objective lens and receiving reflected light thereof to output an output signal for obtaining a focus error signal, and an actuator for driving the objective lens. An optical pickup, a servo mechanism that obtains a focus error signal from the output signal of the optical pickup, and controls and drives the actuator accordingly, an encoder that is attached to the actuator to detect the displacement amount, and an output signal of the encoder. Signal processing means for processing the output of the displacement of the measurement surface, and means for converting the level of the focus error signal into a displacement amount and adding the displacement amount output by the encoder. Focusing type displacement measuring device.
JP30757893A 1993-11-12 1993-11-12 Focusing type displacement measuring apparatus Pending JPH07139940A (en)

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